今年1月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布消息，該校潘建偉院士及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，最近與合作者利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在中國和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)距離達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。該成果標(biāo)志著“墨子號”已具備洲際量子保密通信能力，為構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2016年8月16日凌晨，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。該衛(wèi)星是世界第一顆從事空間尺度量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星。升空之后，它配合多個(gè)地面站，在國際上率先實(shí)現(xiàn)星地高速量子密鑰分發(fā)、星地雙向量子糾纏分發(fā)及空間尺度量子非定域性檢驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)以及探索廣域量子密鑰組網(wǎng)等實(shí)驗(yàn)。
“墨子號”科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師彭承志表示，量子通信基于量子物理學(xué)的基本原理，克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。目前，基于光纖的城域和城際量子通信技術(shù)正在走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，我國在這方面已經(jīng)走在了世界前列。但是由于光纖的固有損耗以及單光子狀態(tài)的不可復(fù)制性，目前點(diǎn)對點(diǎn)光纖量子通信的距離難以突破百公里量級。因此，要實(shí)現(xiàn)廣域乃至全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。
“墨子號”正是在這種大背景下應(yīng)運(yùn)而生。“墨子號”是中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中首批確定的5顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一。在“墨子號”首席科學(xué)家潘建偉看來，如果說地面量子通信構(gòu)建了一張連接每個(gè)城市、每個(gè)信息傳輸點(diǎn)的“網(wǎng)”，那么“墨子號”就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標(biāo)槍”。 “天地網(wǎng)”織就后，海量信息將實(shí)現(xiàn)“無條件”安全。
“墨子號”由中國科大、中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中科院上海技術(shù)物理所等多家單位合作研制。 “墨子號”重約640千克，設(shè)計(jì)壽命為兩年，運(yùn)行在高度約500千米的極地軌道。但“墨子號”自上天以來，迄今已在軌運(yùn)行兩年零兩個(gè)月，不僅實(shí)現(xiàn)“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，打破此前國際上保持多年的“百公里級”紀(jì)錄，而且在國際上第一次成功實(shí)現(xiàn)“千公里級”的星地雙向量子通信，提前完成預(yù)先設(shè)定的量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)三大科學(xué)任務(wù)，并且結(jié)合“京滬干線”首次成功實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信。
潘建偉坦言，“墨子號”研制過程中，攻克了許多技術(shù)難題才拿下。比如量子糾纏源，雖然只有機(jī)頂盒大小，作用卻非常關(guān)鍵，它是衛(wèi)星在空中做各種實(shí)驗(yàn)的源頭。平時(shí)實(shí)驗(yàn)室里糾纏源的體積非常大，研究人員不僅把它做到小型化，還通過一系列創(chuàng)新讓它滿足空間環(huán)境要求。此外，“墨子號”對精準(zhǔn)控制的要求也前所未有的高。 “墨子號”系統(tǒng)總師朱振才介紹，量子衛(wèi)星飛行中，攜帶的兩個(gè)激光器要分別瞄準(zhǔn)兩個(gè)相距上千公里的地面站，向左向右同時(shí)傳輸量子密鑰，且衛(wèi)星上的光軸和地面望遠(yuǎn)鏡的光軸要始終精確對準(zhǔn)，就好比衛(wèi)星上的“針尖”對地面上的“麥芒”。
“墨子號”的巨大成功，是中國科大等多家科研單位“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手”的結(jié)果。 “墨子號”發(fā)射以后，如果效果達(dá)到預(yù)期，下一步還將發(fā)射“墨子二號”“墨子三號”。未來，一個(gè)由幾十顆量子衛(wèi)星組成的“璀璨星群”，將與地面量子通信干線攜手，支撐起天地一體化的量子通信網(wǎng)。到2030年，中國力爭率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。
作為“墨子號”參與研制單位之一，中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院是我國航天衛(wèi)星及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的總體科研之一，15年以來已成功研制、發(fā)射新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、“悟空號”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星、“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、“天宮二號”伴隨衛(wèi)星等38顆衛(wèi)星，成功率達(dá)100%，多項(xiàng)成果入選十九大報(bào)告、年度新年賀詞等。
